«Зеленый глаз» — хорошо забытое старое

«Зеленый глаз» — хорошо забытое старое

(полная авторская версия статьи)

Сергей Комаров, UA3ALW

Журнал " Радио" № 8 за 2010 г. стр. 64 и 3-я стр. обложки.

После публикаций в журнале «РАДИО»1 серии статей по оконечным ламповым усилителям с трансформаторами ТАН и ТН, автор получил много писем с просьбой рассказать, как подключить к усилителям индикатор уровня выхода. Причем, радиолюбители спрашивали именно про электронно-световые индикаторы, которые стилистически более уместны в ламповых конструкциях. Откликаясь на просьбы читателей, рассказываю об этих индикаторах и привожу конкретные схемы включения.

Электронно-световые индикаторы появились в начале 30-х годов прошлого века в Германии. Они предназначались для индикации точной настройки АМ радиоприемника на радиостанцию. Второй целью, о которой в технической среде не принято было говорить, однако, она была главной в капиталистической экономике - было желание всколыхнуть рынок радиоприемников, представив новые аппараты, не только обеспечивающие прием радиостанций, но и оживленные красивым, и доселе невиданным устройством, шевелящимся в зависимости от уровня сигнала принимаемой радиостанции. Это в буквальном смысле оживляло радиоприемники.

Родоначальником этого направления в ламповой электронике стала фирма Philips. Первый индикатор EM1 представлял собой радиолампу со стеклянным баллоном, в торце которого располагался круглый экран, диаметром 23 мм, на котором зеленым цветом отображался мальтийский крест, и в зависимости от поступающего на индикатор сигнального напряжения, менялась ширина его лучей. Это очень красивое зрелище буквально завораживало, и в народе он получил название «magic eye» — «магический глаз». В СССР аналогичные индикаторы называли «магическим глазком», «волшебным глазом» или «зеленым глазом», по цвету его свечения.

Поскольку современные условные графические изображения электронно-световых индикаторов сильно упрощены и не отражают принципов работы радиоламп, в данной статье сохранена графика 50-х годов.

Упрощенный вариант этого индикатора, с одним изменяющимся сектором был выпущен и в США фирмой RCA и получил название 6E5. В СССР в середине 30-х годов на американском оборудовании начала производится радиолампа 6Е5, позже, получившая название 6Е5С. Именно этим индикатором оснащались все отечественные радиоприемники I и II класса. Долгое время индикатор 6Е5С в нашей стране оставался единственным. Желание разнообразить изображение на экране единственного советского индикатора привело к разработке новых схем включения. В частности, введение дополнительного резистора в цепь кратера, дало возможность светящимся лепесткам как бы перехлестываться при большом входном сигнале, увеличивая яркость в зоне перехлеста. Этот эффект в ранние годы развития одного из направлений радиолюбительства даже нашел свой отклик в эфирном жаргоне: когда оператор хотел подчеркнуть, что радиостанция корреспондента слышна очень громко, то принято было говорить «принимаю вас с перехлестом».

Аналогичная американской 6Е5 в Европе также была выпущена радиолампа ЕМ71. Однако, у нее разработчики увеличили диаметр кратера до 25, 4 мм, сместили ширму относительно центра кратера, увеличив площадь экрана для отображения светящихся лепестков и теневого сектора между ними. Получилось очень красиво! Заодно и над формой характеристики хорошо поработали, чтобы она стала логарифмической.

Желание иметь более широкий диапазон индикации уровня сигналов привело к появлению двухзонного индикатора ЕМ4, имеющего два подвижных сектора с разной чувствительностью. В то время, когда чувствительный сектор уже полностью перекрыт, светящиеся лепестки второго сектора, рассчитанного на индикацию большого сигнала, только начинают сходиться. Фактически в этом индикаторе как бы размещены две радиолампы 6Е5С с разной чувствительностью.

Дальнейшим развитием круглого магического глазка стал двойной двухзонный индикатор ЕМ11, в котором картинка на экране при отсутствии сигнала такая же, как и у ЕМ1, однако, в отличие от него, имеются две пары секторов с разной чувствительностью, как и в EM4, и парные сектора с одинаковой чувствительностью расположены крест накрест.

Ну, и на примере радиолампы 6Е5С, поскольку, она самая простая, разберем принцип работы магического глазка. Устройство электродной системы и названия всех электродов приведены на рисунке. Как видно, это двойная лампа, состоящая из управляющего триода и собственно индикатора с единым катодом для обоих.

Кратер индикатора с внутренней стороны покрыт тонким порошком виллемита (силикат цинка) — минерала, светящегося ярким зеленым светом при облучении его потоком электронов.

Благодаря наличию катодной сетки, закрывающий катод в области кратера, ускоряющее поле не действует на пространственный заряд электронного облака вокруг катода, чем обеспечивается постоянство яркости свечения экрана при изменении напряжения на ноже. Помимо этого, поверхность катода предохраняется от вырывания из нее электронов и от бомбардировки его остаточными ионами, что способствует длительному сроку службы лампы.

В исходном состоянии, когда на сетке управляющего триода потенциал равен нулю, анодный ток максимален (220 мкА), на резисторе анодной нагрузки падение напряжения также максимально и потенциал анода составляет около 30 вольт. Поскольку кратер находится под потенциалом 250 вольт, то относительно него нож (отклоняющий электрод), соединенный с анодом триода, имеет отрицательный потенциал в 220 вольт, который отталкивает от него поток электронов. Таким образом, слева и справа от ножа образуется зона тени, куда электронный поток не попадает. А поскольку свечение экрана определяется именно электронным потоком, то зона тени образуется и в свечении экрана. Соотношения размеров электродов выбраны так, чтобы теневой сектор, в отсутствии сигнала на сетке индикатора, составлял бы 80-90 градусов.

При подаче на сетку триода сигнала с постоянным отрицательным потенциалом, анодный ток триода уменьшается, что вызывает соответствующее уменьшение падения напряжения на резисторе анодной нагрузки, и увеличение потенциала анода и соединенного с ним ножа. Это приводит к уменьшению отрицательного потенциала ножа относительно кратера. Отталкивающее действие ножа на электронный поток уменьшается и теневой сектор сокращается. При этом, зависимость угла теневого сектора от напряжения на сетке напоминает по своему характеру анодно-сеточную характеристику триода. При подходе к точке запирания, крутизна триода уменьшается и имеет место естественное компрессирование больших сигналов, что увеличивает динамический диапазон индикатора.

При достижении входного отрицательного потенциала на сетке триода напряжения запирания (для 6Е5С это минус 8 вольт), ток анода становится незначительным, и потенциал анода повышается до значения 220-230 вольт. Таким образом, отрицательный потенциал ножа становится около 20-30 вольт относительно кратера, что не оказывает заметного отталкивающего действия на электронный поток и теневой сектор смыкается.

При изменениях входного напряжения триода и, соответственно, угла теневого сектора, ток кратера остается почти постоянным и для радиолампы 6Е5С составляет 1-1, 2 мА. Если в цепь кратера поставить последовательный резистор, сопротивлением, к примеру, 39 кΩ, то потенциал кратера понизится на 40-45 вольт и составит 205-210 вольт. Тогда при запирании триода, потенциал анода будет превышать потенциал кратера и нож при максимальном входном сигнале, вместо отталкивающего электрода, станет притягивающим для потока электронов. Потоки электронов, летящие к кратеру с обеих сторон ножа, станут притягиваться им и, огибая нож, перехлестываться, обозначив тем самым за ножом область с в два раза большей концентрацией электронного потока. Соответственно, яркость свечения кратера в этой области будет выше. Таким образом, создастся зрительный эффект, что зеленые края теневого сектора сомкнулись и при дальнейшем увеличении входного сигнала, перехлестнулись.

Этим достигается еще большее увеличение динамического диапазона индикатора. Обычно, перехлест делают не более 20-25% от значения входного сигнала, при котором теневой сектор смыкается. При напряжении питания 250 вольт и сопротивлении резистора в цепи кратера 47 кΩ, перехлест составляет 25%, при сопротивлении 39 кΩ — 20%, считая по входному напряжению. Для питающего напряжения 200 вольт резисторы будут иметь номиналы 39 кΩ и 33 кΩ (25% и 20%). Именно отсюда появились старинные жаргонные выражения «принимаю на 120 процентов» и пожелание громкого приема радиостанции на всей территории СССР: «120 по Союзу! »

Использовать схему индикатора уровня с перехлестом, имеет смысл в современных ламповых УМЗЧ с целью показать, что превышается номинальный уровень выходной мощности и при перехлесте усилитель уже работает с увеличенным процентом нелинейных искажений. При этом, делителем на входе детектора устанавливается максимальный уровень индицируемого сигнала, а резистором в цепи кратера — уровень перехлеста — порог начала нелинейной работы. Получается очень наглядно в эксплуатации и удобно при регулировке.

Переход к миниатюрным, пальчиковым баллонам радиоламп, привел к появлению электронно-световых индикаторов с боковым расположением экрана. Их было разработано и выпущено большое количество. Остановимся лишь на некоторых. Второй массовый индикатор, появившийся в СССР, являлся аналогом европейской радиолампы ЕМ80 и имел отечественное название 6Е1П. Этот индикатор аналогичен ЕМ1, с той разницей, что использована четвертая часть кратера с двумя ножами, электродная система развернута поперек баллона и наблюдение за экраном ведется через боковую поверхность баллона лампы. При этом в качестве индикаторного используется светящийся сектор между ножами. При увеличении сигнала он расширяется (два теневых сектора от каждого ножа, соответственно, сужаются). Электрическая схема и схема включения полностью аналогичны радиолампе ЕМ1 или 6Е5С. Но при такой конструкции индикатора наглядность эффекта перехлеста теряется, и использовать его с этой лампой не рационально.

Следующая массовая радиолампа пришла к нам из восточной Европы в годы активного функционирования СЭВ. Это ЕМ84. Российский аналог 6Е3П. В ее электродной системе кратер не выполняет функцию экрана, а люминофор нанесен непосредственно на стекло баллона. Принцип работы аналогичен лампе 6Е5С, если бы в качестве экрана использовался бы ободок кратера, и он был бы прозрачным. То есть, на боковой поверхности баллона лампы, вдоль ее оси, нанесена полоска люминофора. Светящийся рисунок представляет собой два столбика, растущие навстречу друг другу при увеличении отрицательного потенциала на сетке триода. При такой форме светящегося рисунка эффект перехлеста будет очень нагляден. Этот эффект пришелся по вкусу и разработчикам индикаторов, и появилась радиолампа ЕМ87, полностью аналогичная радиолампе ЕМ84, с той лишь разницей, что перехлест не нужно создавать схемотехнически, этот режим уже заложен в конструкцию радиолампы.

Схема включения индикаторов ЕМ84 и ЕМ87 аналогична радиолампе 6Е5С, с той лишь разницей, что нож внутри баллона не соединен с анодом триода и имеет отдельный вывод. Это открывает дополнительные схемотехнические возможности при использовании радиолампы. В частности, позволяет использовать собственно индикатор отдельно от встроенного триода. Ну, мало ли где в схеме есть медленно изменяющееся напряжение в пределах от 20-30 и до 220-240 вольт, характер изменений которого интересно вывести для непосредственного наблюдения? Ну, к примеру, среднее напряжение на аноде лампы однотактного УМЗЧ или продетектированную переменную составляющую с выхода П-контура радиопередатчика... Считайте, что этот индикатор представляет собой осциллограф без развертки. Амплитуда хорошо видна, а форма сигнала во многих случаях — излишество. Одна лампочка, пара резисторов и вот Вам индикатор настройки радиопередатчика, или оперативный индикатор КСВ. А ведь для отображения этих параметров в процессе работы, что стрелочный, что цифровой индикатор, явно избыточны и не столь наглядны.

Ну, и завершает победное шествие электронно-световых индикаторов по ламповым схемам двойной индикатор ЕММ801 фирмы Telefunken, предназначенный для отображения уровня двух каналов стереосигнала. Или одновременной индикации тока сетки и настройки контура выходного каскада передатчика. Фактически, внутри одного баллона размещены две электродных системы, аналогичных ЕМ84. Лампочка получилась миниатюрная и вполне функциональная, к тому же с богатыми схемотехническими возможностями. В нашей стране также был разработан двойной индикатор 6Е2П, но выпускался он очень ограниченными партиями. Да и к тому времени уже появились транзисторные схемы УМЗЧ, и в них больше не стало высоких напряжений, способных запитать всю эту красоту. С развитием полупроводниковой схемотехники мы обрели транзисторное звучание, излишество информации и потеряли красоту аналоговых индикаторов.

Вот я и думаю, а может, попросить со страниц журнала РАДИО производителей радиоламп, чтобы они возродили из небытия серию индикаторов ЕМ1, ЕМ4, ЕМ11, ЕМ71. Первые три — с октальным цоколем, как это и принято для радиоламп высококачественного звукоусиления, и обязательно с преемственной с 6Е5С цоколевкой! К ним и названия сами собой напрашиваются: 6Е1С, 6Е4С, 6Е11С. А вот радиолампу, EM71, может быть, стоит сделать с напряжением накала 12, 6 вольта, током 75 миллиампер, с замком в цоколе и с названием: 12Е71Л, пригодную для использования в профессиональной и мобильной аппаратуре. Думаю, эта продукция будет иметь хороший спрос. А я, в свою очередь, разработаю и опубликую несколько схем для массового повторения инженерами и радиолюбителями, в которых будут применены восставшие из пепла индикаторы… Только, вот, остался ли в России хоть один такой производитель?

Стоит отдельно остановиться на схемах детекторов индицируемого сигнала, призванных обеспечить на сетке управляющего триода отрицательное напряжение, пропорциональное амплитуде выходного напряжения УМЗЧ. Здесь также имеются варианты. Обычно, хочется, чтобы индикатор быстро откликался на резкие всплески громких звуков, но оставлял бы индикацию пиков на более длительное время, чтобы можно было бы наблюдать не мельтешение светящихся лепесточков, а плавное, их движение в такт звуку. Для этих целей необходим пиковый детектор, у которого постоянная времени реакции в 25-30 раз меньше, чем постоянная времени индикации. Именно такая схема детектора показана на левом рисунке. Если же мы хотим индицировать на электронно-световом индикаторе малые сигналы, амплитудой в первые единицы вольт, ну, к примеру, «оживляя» «волшебным глазом» транзисторные схемы, то для этого стоит использовать вторую схему. Двухполупериодный пиковый детектор здесь выполнен по схеме удвоения напряжения. Так, что для достижения размаха в 8 вольт, требуемых для 6Е5С, будет достаточно амплитуды в 5 вольт. Резистор R1 делать меньшего номинала не рекомендую. При экспериментах легко превысить предельно допустимый прямой ток выпрямительного диода и вывести схему из строя. А 27 килоом являются хорошим ограничителем тока. Понижение напряжения питания индикатора с 250 до 200 вольт не сильно скажется на яркости его свечения, но при этом чувствительность возрастет. И уже для полного смыкания лепестков потребуется не 8 вольт, а всего 4. А двухполупериодная схема детектора с удвоением напряжения и вообще снизит требуемую амплитуду индицируемого переменного напряжения до 2, 5 вольт. Что же касается индикатора ЕМ1, то его чувствительность была ровно в 2 раза выше, чем у 6Е5С. Ну, вот уж, право, можно даже логические сигналы ТТЛ и ЭСЛ микросхем индицировать!!!

Бывают случаи, когда нет необходимости реагировать на всплески входного сигнала, а нужно индицировать средний уровень переменного напряжения. Для этого случая есть два варианта детекторов среднего уровня. Они оба выполнены по классической схеме параллельного детектора с разделительным конденсатором и делителем напряжения на входе. В первом случае детектирование производится диодом Д2Е или любым другим детекторным диодом (не только полупроводниковым, но, возможно, и вакуумным), во втором случае в качестве диода используется участок сетка-катод управляющего триода. Необходимая постоянная времени индикации обеспечивается в анодной цепи с помощью конденсатора C2 и резистора анодной нагрузки R3.

Ну, и последнее. У радиоламп срок службы, хоть и велик, но не столь длителен, как у микросхем и транзисторов. Поэтому, если Вы хотите, чтобы эти красивые индикаторы служили Вам долго, используйте их при пониженном анодном напряжении. У перечисленных индикаторов есть два типовых режима работы, нормируемых в их технических условиях: при напряжении кратера 250 и 200 вольт. Снижение анодного напряжения приводит к незначительному уменьшению яркости, к увеличению чувствительности индикаторов и заметно продляет срок их службы, иногда, в разы! Я бы рекомендовал использовать их при напряжении анодного питания 180-220 вольт. Лучше 180. Что касается цепи накала, то изучая РТМ на приемно-услительные лампы, можно сделать вывод, что для увеличения срока службы и надежности радиоламп с оксидным катодом нужно использовать напряжение накала на 5% ниже номинала (для типового напряжения 6, 3 вольта следует установить ровно 6 вольт) и стабилизировать его с точностью ±2%. В момент включения необходимо исключить бросок тока, ограничив его номинальным током накала. Современная схемотехника и элементная база легко решают эти вопросы.

Кто-то из великих мужей древности сказал: «Красота спасет мир! » Я бы уточнил его фразу: «Рукотворная красота спасет мир! » Я полностью разделяю такую точку зрения и придерживаюсь ее по жизни. Именно поэтому и появилась эта статья.

29 мая 2010 г.

¹ РАДИО 2005 № 5, 12; 2006 № 1, 4, 5; 2008 № 8, 9, 10.